ГРАВИТАЦИОННАЯ НЕСТАБИЛЬНОСТЬ КОНТИНЕНТАЛЬНОЙ ЛИТОСФЕРЫ И

СОПУТСТВУЮЩИЙ МАГМАТИЗМ

Киселев А.И.*, Гордиенко И.В.**

*Институт земной коры СО РАН, Иркутск, Россия, akiselev@crust.irk.ru

**Геологический институт СО РАН, Улан-Удэ, Россия, gord@pres.bscnet.ru

Механическое отслоение и погружение мантийной литосферы называют деламинацией. Впервые термин «деламинация» был предложен П. Бердом (Bird, 1979), согласно которому литосферная мантия отщепляется от вышележащей коры благодаря подъему и внедрению между ними астеносферного материала. Г. Хаусман и др. (Houseman et al.,1981) предложили другой механизм, который обусловлен гравитационной (конвективной) нестабильностью низов тектонически утолщенной литосферы, сопровождаемой полным или частичным отделением ее мантийной части и погружением в астеносферу.

Континентальная литосфера характеризуется варьирующей мощностью (150-300км) и более дробной стратификацией по сравнению с океанической литосферой. Ее составляющими являются высоко плавучая богатая кварцем 2-3-слойная кора (30-70 км) и отрицательно или нейтрально плавучая богатая оливином мантийная часть литосферы (60-250 км). Верхняя кора хрупко-упругая, нижняя – пластичная и может иметь вязкость 10²⁰-10²¹ пуаз при Т = 250-400⁰С. В мантийной литосфере пластичный крип активизируется при более высокой температуре (750-800⁰С). Данное обстоятельство подразумевает присутствие слабого слоя (нижняя или средняя кора) между прочной верхней корой и литосферной мантией, что позволяет им деформироваться относительно независимо друг от друга вплоть до механического отделения.

Деламинация как следствие тектонического утолщения в коллизионных орогенах. Когда комбинируются термальный и вещественный параметры, определяющие мантийную литосферу, то она имеет более низкую плотность, чем нижележащая астеносфера. Однако в процессе сжатия литосфера становится более толстой и нестабильной вследствие ее квазиизотермического «вдавливания» в астеносферу. В этих условиях мантийная литосфера может деламинировать, в том числе вместе с нижней корой в случае ее эклогитизации после критического количества сокращения. Инверсия плотностей может быть реализована в коллизионных орогенах, где компрессионное утолщение литосферы сменяется коллапсом растяжения. Полный орогенический цикл содержит три стадии развития: 1) коллизия, утолщение, поднятие топографической поверхности, образование корового и литосферного корня; 2) метаморфизм корового корня и/или деламинация корового корня или литосферной мантии; 3) коллапс растяжения орогена и переуравновешивание Мохо.

Деламинация нижней коры. Фазовый переход базальт – эклогит. Значительный вклад в инверсию плотностей между литосферой и астеносферой вносит фазовый переход базальта в более плотную модификацию – эклогит. При этом низкобарический Px+Pl+Ol парагенезис минералов превращается в высокобарический эклогит, сложенный пироповым гранатом и омфацитом. Плотность эклогита на 6% выше плотности исходного субстрата. Она сопоставима или может превышать плотность нижележащей мантии. В континентальных регионах с тонкой корой (< 45 км) нижняя кора при любых вариациях состава должна иметь плотность более низкую, чем у мантии. Наоборот, в районах, где сжатие приводит к утолщению коры более 50 км (в Тибете – до 70 км), породы базальтового состава в нижней коре испытывают большое плотностное увеличение при переходе в эклогиты и имеют тенденцию к погружению. В регионах с толстой корой если литосферная мантия деламинирует, то вместе деламинирует и нижняя часть коры.

Флюиды играют ключевую роль в процессах эклогитизации и деламинации нижней коры в коллизионных орогенах. При крайне малом количестве флюидов нижняя кора может длительное время находиться в метастабильном состоянии. Некоторые исследователи придают решающее значение флюидам и деформации в реализации эклогитового метморфизма, чем температуре и давлению (M. Leech, 2001). Эклогитизация сопровождается уменьшением прочности и в этом смысле эклогиты менее прочные, чем их протолит. В зонах высоких деформаций эклогиты рассланцованы и пластически деформированы. Эти процессы усиливаются в присутствии воды. Метаморфические реакции увеличивают пластичность за счет уменьшения зернистости и присутствия метаморфического флюида. Таким образом, эклогитизация уменьшает прочность коры. Высокая плотность эклогитов и наличие вышележащего ослабленного слоя дестабилизируют нижнюю кору, увеличивая при этом отрицательную плавучесть нижележащей литосферной мантии.

Метаморфизм сухой нижней коры стимулируется инфильтрацией флюида: при соответствующих Р-Т условиях, отвечающих эклогитовой фации, реакции будут происходить быстро с уменьшением объема системы на 10-15%. Это уменьшение вызывает дальнейшую инфильтрацию флюида, завершение эклогитизации нижней коры и ее деламинацию. Если инфильтрация флюида не происходит, то в этом случае утолщенная нижняя кора орогена может оставаться в метастабильном состоянии неопределенно долгое время (сотни млн. лет). Таким образом, эволюция орогенов на финальной стадии своего развития определяется флюидным режимом нижней коры. Естественно, процессы внутрикорового магмобразования в коллизионных орогенах, испытавших деламинацию, должны существенно отличаться от таковых в орогенах, где деламинация не имела места.

Утяжеление литосферной мантии в результате магматического подслаивания (magmatic underplating) и рефертилизации. Если литосфера лежит в поле стабильности эклогита, то интрудирующие ее расплавы или мафические кумуляты могут трансформироваться в ее пределах в эклогиты. Каждые 10% эклогита будут увеличивать плотность мантийной литосферы примерно на 1% и приводить к ее нестабильности.

Деламинация при плюм-литосферном взаимодействии. При подъеме плюма к основанию литосферы происходит дестабилизация холодной более плотной литосферы (нестабильность Релея-Тейлора), которая выражается в следующем: 1) региональное сводовое поднятие; 2) механическая эрозия литосферы над центром головы плюма и ее дифференциальное утонение при латеральном растекании; 3) деламинация литосферной мантии, причем в краевых частях головы плюма возвратное течение плюмового вещества «заталкивает» обрушенные части литосферы до глубины 400-500 км (Burov et al., 2007). Апвеллинг горячего плюмового материала может достигать границы Мохо. При этом происходит его адиабатическое плавление, нагревание коры и образование внутрикоровых расплавов.

Возможность деламинации в зависимости от вещественных различий между конвектирующей и литосферной мантией. Численным моделированием нами установлено, что только флюидсодержащая астеносфера, отвечающая составу DMM, является наиболее подходящей средой для деламинации утолщенной литосферы по отношению к другим более фертильным модельным составам астеносферы, таким как примитивная мантия или лерцолит КН (Киселев и др., 2004).

Работа выполнена при поддержке РФФИ (гранты 08-05-00225, 08-05-00290).